KR19990033004A

KR19990033004A - 고속 광 무선통신시스템

Info

Publication number: KR19990033004A
Application number: KR1019970054235A
Authority: KR
Inventors: 유태경; 이시형
Original assignee: 구자홍; 엘지전자 주식회사
Priority date: 1997-10-22
Filing date: 1997-10-22
Publication date: 1999-05-15
Also published as: KR100239483B1

Abstract

본 발명은 광검출능력이 뛰어나고 고속으로 광신호를 처리할 수 있을 뿐만아니라 콤팩트한 고속 광 무선 통신시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 고속 광 무선통신시스템은 지지체의 한 개구면을 통하여 들어오는 광을 일점으로 집속시키는 광학수단과, 상기 광이 집속되는 위치에 고정된 MSM(Metal-Semiconductor- Metal) 구조의 포토다이오드로 형성되는 제 1 광검출기와, 상기 지지체의 상기 개구면의 어느 한 위치에 고정되는 레이저 다이오드로 형성되는 제 1 광원을 각각 구비하고, 서로 떨어져 위치하는 적어도 2개 이상의 노드와, 제 2 광원과 제 2 광검출기를 구비하고 상기 각 노드가 상기 제 2 광원으로 부터 출력하는 광신호를 수광할 수 있도록 각 노드의 상측에 위치되고 상기 노드중의 어느 하나로부터의 광신호를 수광하여 그에 상응하는 광출력을 발생하여 각 노드로 전송하는 하나의 중계기를 구비함을 특징으로 한다.

Description

고속 광 무선통신시스템

본 발명은 고속 광 무선통신시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 광검출기 및 광원과, 이들의 배치구조를 개량하여 광신호의 고속처리가 가능하도록 한 고속 광 무선통신시스템에 관한 것이다.

일반적으로 광무선통신(LAN) 시스템은 적외선 영역(약 0.84μm의 이상)의 LED를 광원으로 사용하여 전기적 통신신호를 광신호로 변환하여 공기중으로 송신하고 이 광신호를 Si PIN PD(Photo Diode)로 수신하여 다시 전기적 통신신호로 복원하여 통신하는 방식이다.

그리고 양방향 통신을 위해서 신호를 주고 받는 송신부 및 송신부 각각이 광원과 광검출기로 이루어진 광학시스템을 이용하여 서로간의 빛을 송수신하므로써 통신이 이루어진다.

도 1은 종래의 광무선 통신시스템을 개략적으로 도시한 것으로, 사무실의 천장 등에 고정되게 설치한 중계기(Satellite)(11)와 적어도 2개의 노드(node)(12)로 구성되어 있다.

상기 중계기(11)는 도 2a에 도시된 바와 같이, 원통형의 지지체(13)와, 상기 지지체(13)의 상측면 중심부에 설치된 광검출기(14)와, 상기 상측면의 광검출기(14)를 포위하도록 형성된 고리모양의 반사거울(15)과, 상기 고리모양의 반사거울(15)의 상부에 설치된 복수개의 LED(16)로 구성되어 있다.

또한 상기 노드(node)(12)는 도 2b 및 도 2c에 도시된 바와같이, 케이싱(17)과 상기 케이싱(17)의 전면 중심에 지지수단(18)에 의해 고정된 LED(19)와, 상기 LED(19)의 반사광을 평행광으로 반사시켜서 중계기(11)로 전송하기 위해 LED(19)을 그의 초점에 위치되게 함과 동시에 개구면이 상기 케이싱(17)의 전면 중앙부에 위치되도록 설치된 오목거울(20)과, 케이싱(17)의 전면부 가장자리에 위치하는 고리모양의 개구부를 통하여 입사되는 중계기(11)으로부터의 광을 어느한점으로 집속하기 위한 오목거울(21) 및 평면거울(22)과, 상기 광이 집속되는 위치인 오목거울(21)에 위치되게 설치된 광검출기(23)와, 상기 LED(19) 및 광검출기(23)를 구동하기 위한 구동회로(24)로 구성되어 있다.

이와 같이 구성된 종래의 광 무선통신시스템에 의하면, 상기 각 노드(12)로부터의 신호를 무선이나, 또는 LAN 세버(sever)의 HUB에서 나오는 신호를 유선으로, 천정에 위치한 중계기(11)에 보내고, 이 중계기(11)는 광 신호를 주어진 공간에 널리 퍼트려 전송하기 위하여 광출력이 작은 LED(19)를 복수개(약 20개 이상)조합하여 전체적인 출력을 크게 하여 각 노드(12)로 내보낸다.

이와 같이 광 신호를 크게하기 위하여 여러개의 LED를 조합하여 사용하여야 하므로 중계기(11)의 부피가 커지게 된다.

또한 노드(12)의 LED(19)로부터 나오는 빛을 멀리 평행광으로 집광시켜보내야 하므로 오목거울(20) 등의 광학시스템을 사용하여야 하기 때문에 전체 시스템의 크기가 커질뿐만 아니라 광신호를 송신하기 위해 LED를 사용하나 이 LED는 그 특성상 고출력에서 10㎒ 이상 고속의 신호처리를 위한 변조(Modulation)가 어려워 고속 광 무선통신시스템의 광모듈로서 사용하는데에 많은 어려움을 가지고 있다.

따라서 LED로부터 나오는 작은 광출력의 신호를 수신하기 위해서는 보다 큰 수광면적을 가지는 광검출기가 필요하게 되나, 기존의 광검출기는 Si PIN PD(Si PIN photo-diode)로 되어 있고 이 광검출기의 수광면적이 커지면 광검출기의 커패지턴스값이 커지게 되어서 광전류의 RC 시정수의 값이 커지게 되므로 전기적 처리속도가 떨어지게 된다.

또한 Si PIN PD는 수광면적을 키우기 위해 공핍층의 두께를 늘리게 되면 P-I-N 구조에서 공핍층 부근에서 발생하는 광전하들에 의한 확산전류에 의해 속도가 저하되고 이러한 속도저하를 극복하고자 접합층(junction layer)의 두께를 줄이면 전체적인 회로저항이 크게되어 RC 시정수가 크게 되므로 속도저하가 발생하게 된다.

이상과 같이, 종래의 광무선 통신시스템은 광출력이 작은 LED를 여러개 조합하여광량을 크게 하여 사용하므로 중계기의 부피가 커지게 되고 또한 LED는 고속의 신호처리를 위한 변조가 어려워 고속무선광 통신으로서 응용에 어려움이 있을 뿐만 아니라 그 자체의 광출력이 작기 때문에 이 작은 광출력을 수신하기 위해서는 보다 큰 수광면적을 가지는 광검출기가 필요하게 되나, 기존의 Si PIN PD를 사용하는 광검출기는 수광면적이 커지게 되면 광검출기의 커패시턴스가 커지게 되어서 광전류의 RC 시정수가 커지게 되므로 전기적 처리속도가 떨어지게 되고 이로 인해 고속의 광 무선통신에 적용할 수가 없다는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 이와 같은 종래 기술 문제점을 감안하여 발명한 것으로, 본 발명의 목적은 광검출기의 수광면적이 커서 빛의 검출특성이 양호하면서도 고 속의 신호처리가 가능한 고속 광 무선 통신시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 보다 콤팩트한 중계기를 구비하는 고속 광 무선 통신시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 하나의 다른 목적은 고출력이면서도 눈의 안전도가 보장되는 광원을 구비하는 고속 광 무선 통신시스템을 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 광 무선통신시스템의 개략도,

도 2a는 종래의 광 무선통신에 사용되는 중계기를, 그리고 도 2b 및 도 2c는 노드의 단면과 정면을 각각 개략적으로 나타낸 도면,

도 3은 본 발명의 고속 광 무선통신시스템을 개략적으로 나타낸 도면,

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 의한 고속 광 무선통신시스템의 노드의 단면과 정면을 개략적으로 나타낸 도면,

도 5는 본 발명에 의한 고속 광 무선통신시스템의 중계기를 개략적으로 나타낸 도면,

도 6은 본 발명의 중계기에 사용되는 광원의 상세도,

도 7a 및 도 7b는 레이저 다이오드에 있어서 광출력의 수평 및 수직방향의 방사각 및 이 방사각에 대응하는 광 출력의 세기를 나타낸 그래프,

도 8a 및 도 8b는 각각 중계기에서 출력되는 광원의 비임확산범위 및 상기 광원의 전방위각에 따른 광의 분포도를 나타낸 도면,

도 9a 및 도 9b는 본 발명에 사용되는 MSM 구조의 포토다이오드의 전면 및 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11, 40 : 중계기 12, 30 : 노드

13, 31, 41 : 지지체 14, 23, 35, 43 : 광검출기

15 : 반사거울 16, 19 : LED

18, 33 : 지지수단 17 : 케이싱

20, 21, 34 : 오목거울 22 : 평면거울

24, 36 : 구동회로 32, 43 : 광원

50 : n형 반도체 51, 54: 금속층

52 : 반투명 금속막 53 : 홈

이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 고속 광 무선통신시스템은 지지체의 한 개구면을 통하여 들어오는 광을 일점으로 집속시키는 광학수단과, 상기 광이 집속되는 위치에 고정된 MSM(Metal-Semiconductor- Metal) 구조의 포토다이오드로 형성되는 제 1 광검출기와, 상기 지지체의 상기 개구면의 어느 한 위치에 고정되는 레이저 다이오드로 형성되는 제 1 광원을 각각 구비하고, 서로 떨어져 위치하는 적어도 2개 이상의 노드와, 제 2 광원과 제 2 광검출기를 구비하고 상기 각 노드가 상기 제 2 광원으로 부터 출력하는 광신호를 수광할 수 있도록 각 노드의 상측에 위치되고 상기 노드중의 어느 하나로부터의 광신호를 수광하여 그에 상응하는 광출력을 발생하여 각 노드로 전송하는 하나의 중계기를 구비함을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부도면에 근거하여 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 고속 광 무선 통신시스템은, 도 3에 도시된 것과 같이, 광원과 광검출기를 구비하고 서로 떨어져 배치되어 있는 2개 이상의 노드(30)와, 또한 광원과 광검출기를 구비하고 상기 각 노드(30)가 상기 광원으로부터 출력하는 광신호를 수광할 수 있도록 각 노드(30)의 상측에(예를 들어 실내의 천정)에 위치되고 상기 각 노드(30)중의 어느 하나로부터 광신호의 수광에 따른 광출력을 발생하여 각 노드(30)로 전송하는 하나의 중계기(40)를 구비하고, 상기 각 노드(30)는 도 4에 도시된 바와 같이 일 개구면을 가지는 지지체(31)와 지지체(31)의 어느 한 위치, 예를 들어 중앙에 지지수단(33)에 의해 지지되어 고정된 레이저 다이오드로 형성하는 광원(32)과, 상기 중계기(40)로부터 입사하는 광신호를 수광하여 어느한점에 집속시키는 오목거울(34)과, 상기 광신호가 집속되는 위치에 설치된 MSM(Metal- Semiconductor-Metal) 구조의 포토다이오드로 형성되는 광검출기(35)를 구비하고 있다.

그리고, 미설명의 36은 상기 광검출기(35) 및 광원(32)을 구동하기 위한 구동회로이며, 상기 광검출기(35)는 도시하지 않은 지지수단에 의해 지지되도록 구성되어 있다.

그리고 상기 실시예에서는 상기 광원(32)의 설치위치가 상기 개구면의 중앙부에 위치되도록 예시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 지지체(31)의 개구면 어느 부위에 설치하여도 관계없다.

이는 노드의 광원으로 사용된 종래의 LED는 광이 분산되어 이를 오목거울 등을 사용하여 평행광으로 변환시켜주어 중계기로 전송하여야 하나, 본 발명에서는 노드의 광원은 집속성이 큰 레이저 다이오드를 사용하기 때문에 종래 기술에서와 같이 오목거울 등을 설치할 필요가 없어 광원의 설치위치가 제한받지 않기 때문이다.

한편, 상기 중계기(40)는, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 중앙의 평탄부(41')와 상기 평탄부(41')의 둘레에 약 45°의 기울기를 가진 경사측면부(41")를 가진 지지체(41)와, 상기 지지체(41)의 평탄부(41') 중심과 상기 경사측면부(41")의 예를 들어 90°간격으로 떨어진 4개소에 각각 설치된 광원(42)과, 상기 평탄부(41') 중심에 위치하는 광원(42)의 둘레에 예를들어 90° 간격으로 설치된 4개의 광검출기(43)로 구성되어 있다.

그리고 상기 광원(42)은 도 6에 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드(42')와 시린드리컬(cylindrical) 오목렌즈(42")를 결합하여 구성되어 있으며, 오목렌즈(42")를 사용하는 것은 도 7a 및 도 7b에 도시되는 바와 같이, 레이저 다이오드(42)는 통상적으로 수평방향의 방사각()이 약 10-15°이고, 수직방향의 방사각()은 약 15-30°로서 서로 상이할뿐만 아니라 방사각의 폭도 매우 좁기 때문에 사방으로 퍼지지 못하므로 오목렌즈(42")를 사용하여 수직방향의 방사각이나 수평방향의 방사각을 모두 80-90°로 하기 위한 것이다.

또한 상기 레이저 다이오드(42)는 종래의 LED 보다 광출력이 매우 크기 때문에 눈의 안전도를 기하기 위해 1.3-1.55㎛ 파장영역의 레이저 다이오드를 사용한다.

따라서 상기와 같이, 지지체(41)의 평탄부(41')에 상기와 같이 레이저 다이오드와 오목렌즈로 결합된 하나의 광원(42)을 그리고 경사측면부(41")에 상기와 같이 결합된 4개의 광원을 90°간격으로 배치하면, 도 8a 및 도 8b와 같이 중계기에서의 광 비임의 확산범위는 측면경사부(41")에 설치된 4개의 광원(42)의 광(A)으로 상하로 80°정도 커버(Cover)하고, 그리고 평탄부(41')의 중심에 위치하는 광원(42)의 광(B)에 의하여 상기 4개의 광원이 커버하지 못하는 중계기의 바로 아래 중앙부분을 커버하며, 방위각은 도 8b에 도시된 바와 같이 90°정도 커버할 수 있으므로 와이드각(Wide angle)을 모두 커버할 수 있게 된다.

또한 상기 광검출기(43)는 도 9a 및 도 9b에 도시되어 있는 바와 같은 MSM(Metal-Semiconductor-Metal)구조 포토다이오드를 사용한다.

즉, 상기 MSM 구조 포토다이오드는 약 1.3-1.55㎛의 파장 대역의 광을 흡수하여 전기신호로 변환하기 위해 InGaAs 또는 Ge로 형성되는 n형 반도체(50)와, 상기 n형 반도체(50)의 일측에 형성된 금속층(51)과, 상기 n형 반도체(50)의 타측에 형성된 반투명 금속박막층(52)과, 상기 금속박막층(52)의 상측에 위치하며 상기 금속박막층(52)으로 광원이 투입되기 위한 홈(53)이 형성된 빗살모양의 금속층(54)으로 구성되어 있다.

상기와 같은 MSM 구조의 포토다이오드는 종래의 Si PIN PD와 달리 P-N 정션타입이 아니라 쇼트키 장벽층(Schottky barrier)을 이용하는 다이오드로, 공핍층 부근에서 발생되는 광전하들에 의한 확산전류에 의해 속도가 저하되는 것을 극복하기 위해 정션층의 두께를 줄이더라도 금속층의 작은 저항으로 인해 전체적인 회로의 저항이 증가되지 않기 때문에 보다 빠른 광전류를 처리할 수 있다.

따라서 약한 광을 검출할 수 있도록 광검출기의 수광면적을 크게 하여도 신호처리를 빨리 할 수 있어서 Gbps 이상의 빠른 신호를 전송할 수 있게 되는 광 검출기를 실현할 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 고속 광 무선통신시스템에 의하면 광 무선통신시스템을 형성하는 노드 및 중계기에 각각 사용되는 광원은 광출력이 크고 또한 적어도 GHz 이상에서도 변조가능한 레이저 다이오드를 사용함과 동시에 광검출기는 수광면적을 넓히더라도 RC 시정수가 크게 증가하지 않는 MSM 구조 포토다이오드를 사용하기 때문에 광의 검출능력이 뛰어나면서도 신호전송을 Gbps 이상 속도르 행할 수 있어 10-622Mbps로 신호처리가 가능한 광 무선통신을 실현할 수 있고 또한 중계기의 광원으로 사용되는 레이저 다이오드는 비임의 집속하는 성질을 이용하므로써 평행광으로 변형시키는 광학수단이 필요없게 되어, 중계기의 구조가 간단할 뿐만 아니라 그의 설치위치도 제한받지 않게 되어 저렴하고 콤팩트하게 구성할 수 있으며, 또한 사용되는 레이저다이오드는 1.3-1.55㎛ 파장영역에서 작동되는 것을 이용하기 때문에 큰 광출력에도 눈의 안전도를 보장할 수 있는등 뛰어난 효과가 있다.

Claims

지지체의 한 개구면을 통하여 들어오는 광을 일점으로 집속시키는 광학수단과, 상기 광이 집속되는 위치에 고정된 MSM(Metal-Semiconductor- Metal) 구조의 포토다이오드로 형성되는 제 1 광검출기와, 상기 지지체의 상기 개구면의 어느 한 위치에 고정되는 레이저 다이오드로 형성되는 제 1 광원을 각각 구비하고,

서로 떨어져 위치하는 적어도 2개 이상의 노드와,

제 2 광원과 제 2 광검출기를 구비하고 상기 각 노드가 상기 제 2 광원으로 부터 출력하는 광신호를 수광할 수 있도록 각 노드의 상측에 위치되고 상기 노드중의 어느 하나로부터의 광신호를 수광하여 그에 상응하는 광출력을 발생하여 각 노드로 전송하는 하나의 중계기를 구비함을 특징으로 하는 고속 광 무선통신시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 중계기는,

중앙의 평탄부와 상기 평탄부 둘레에 소정기울기를 가진 경사측면부를 가진 지지체를 구비하고,

상기 중계기의 제 2 광원은 상기 지지체의 평탄부 중심에 위치하는 레이저 다이오드와 상기 지지체의 경사측면부에 소정간격으로 떨어져 각각 위치하는 복수의 레이저 다이오드로 형성되며,

상기 중계기의 제 2 광 검출기는 상기 지지체의 평탄부 중심에 위치하는 레이저 다이오드의 주위에 소정간격으로 떨어져 위치하는 MSM 구조 포토다이오드로 형성됨을 특징으로 하는 고속 광 무선 통신시스템.
제 2 항에 있어서,

상기 중계기의 제 2 광원을 형성하는 레이저 다이오드는 오목렌즈를 더 설치하여 그의 수평 및 수직방사각을 약 90°로 설정하도록 함을 특징으로 하는 고속 광 무선 통신시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 MSM 구조의 포토다이오드는 n형의 반도체와, 상기 반도체의 일측에 형성된 금속층과, 상기 반도체의 타측에 형성된 반투명 금속박막과, 상기 반투명 금속박막 위에 검출영역으로 작동하는 반투명 금속박막의 일부가 노출되도록 소정간격으로 홈이 형성된 빗살모양의 금속층을 구비하여 형성됨을 특징으로 하는 고속 광 무선 통신시스템.
제 4 항에 있어서,

상기 n형 반도체는 InGaAs 또는 Ge 으로 형성되고 상기 레이저 다이오드의 출력은 그의 파장이 1.3-1.55㎛ 임을 특징으로 하는 고속 광 무선 통신시스템.
제 2 항에 있어서,

상기 경사측면부의 기울기는 실질적으로 45° 각도로 설정됨을 특징으로 하는 고속광 무선 통신시스템.
제 2 항에 있어서,

상기 중계기의 제 2 광원은 상기 경사측면부에 등간격으로 4개의 레이저 다이오드 및 오목렌즈를, 그리고 평탄부의 중심에 하나의 레이저다이오드 및 오목렌즈를 배치하여 광원의 방사범위가 상하 약 80° 사방 360°를 커버하도록 함을 특징으로 하는 고속 광 무선 통신시스템.